Retrofitting

Bestandsmaschinen nachrüsten für Industrie 4.0
Auch mit Bestandsmaschinen sind Industrie-4.0-Vorteile wie Predictive Maintenance oder die Produktionsauswertung zu realisieren. Möglich macht es eine Nachrüstung von Sensoren, das sogenannte Retrofitting. Wir stellen einige Anbieter und ihre Lösungen vor.
TEXT: Ingo Steinhaus

Die Diskussion über Industrie 4.0 hinterlässt häufig den Eindruck, als seien alle Produktionsbetriebe plötzlich veraltet. Das ist mehr als übertrieben, denn es ist weder notwendig noch sinnvoll, neue Maschinen anzuschaffen. Viele Elemente der Industrie 4.0 lassen sich nachrüsten – mit Retrofitting. Industrieanlagen werden ohnehin in regelmäßigen Abständen überholt. Nicht nur Elektromotoren oder Pumpen, auch die Anlagensteuerungen werden regelmäßig ausgetauscht. Für Letztere hat sich ein Zehnjahreszyklus eingebürgert, so dass in manch einer TITELTHEMA 07 Maschinenhalle aus den 1960er Jahren demnächst die fünfte Generation der Produktionssteuerung eingebaut wird.

Und genau das ist für viele Unternehmen eine sehr gute Gelegenheit, mit einem Retrofit in die Industrie 4.0 einzusteigen. Die Neuanschaffung dagegen ist ein Risiko: Da die Themen Industrie 4.0 und Digitale Transformation neu sind, kann niemand wissen, ob in fünf oder zehn Jahren die entsprechenden Hardwareund Softwarestandards noch unterstützt werden.

Eine vollautomatisierte und smarte Produktion lässt sich durch Nachrüsten nicht erreichen, aber in bestimmten Teilbereichen bringt es erhebliche Vorteile. „Durch Retrofit können neue Technologien und Funktionen genutzt werden“, sagt Johannes Toloczyki, Leiter des Feldservices für Werkzeugmaschinen bei der Bosch Rexroth AG, die als Dienstleister in diesem Markt aktiv ist.

„Es kommt allerdings immer darauf an, was man mit einem Retrofit erreichen möchte“, sagt Toloczyki. „Die Hardware ist eine Standardlösung, Software und Prozess machen den Unterschied. Eine neue Steuerung kann zum Beispiel als Datensammler für Überwachung und Predictive Maintenance dienen.“ Dafür werden mit Zusatzgeräten Daten aus den bisherigen Systemen ausgelesen. Zudem können Digitalsensoren ohne größeren Aufwand nachgerüstet werden.


DIGITALE SENSOREN NACHRÜSTEN

Für praktisch jede Produktionsumgebung gibt es geeignete Sensoren, etwa für die Zustands- überwachung von Pumpen in der Prozessindustrie. Für diesen Zweck hat das dänische Startup Konux ein Retrofit-System mit erweiterter Analysefunktion entwickelt. Es bietet eine kostengünstige und benutzerfreundliche permanente Onlineüberwachung. Das kompakte Design der Sensoreinheit ermöglicht eine schnelle und einfache Montage an den Pumpengehäusen.

Für praktisch jede Produktionsumgebung gibt es geeignete Sensoren, etwa für die Zustands- überwachung von Pumpen in der Prozessindustrie

Das System kombiniert Vibrations- und Ultraschallmessungen sowie die Ermittlung von Feuchtigkeit und Temperatur. Dank einer integrierten Signalaufbereitung werden nur die wirklich notwendigen Daten in den Cloud-Service von Konux übertragen, so dass die Leistungsanforderung gering ist und eine Batterielebensdauer von einem Jahr erreicht wird. Das Gerät muss nicht an Netzwerkkabel angeschlossen werden, da es die Daten via WLAN sendet.

Ein ähnliches, aber für beliebige Industrieanlagen geeignetes Nachrüstsystem bietet das dänische Start-up Blackbird. Das Factbird genannte Gerät überträgt Sensordaten verschlüsselt via WLAN an eine Cloud-Plattform des Herstellers, die dort ausgewertet werden. Das Nachrüsten einer bestehenden Produktionsanlage ist schnell geschehen: Zunächst werden Sensoren an den gewünschten Messpunkten installiert, etwa für Temperatur, Bewegung oder Druck. Anschließend werden sie mit Factbird verbunden. Die kleine Box kann ebenfalls an einer beliebigen Position der Anlage angebracht werden.

Dadurch ist es möglich, sogar sehr alte, noch vorwiegend mechanische Produktionsstraßen mit der entsprechenden Sensorik nachzurüsten. Voraussetzung ist lediglich eine Analyse, an welchen Stellen ein Sensor angebracht werden muss. Ein Beispiel: Temperatursensoren an kritischen Punkten der Anlage können feststellen, ob Motoren oder Getriebe überhitzen. Mit dem System der Dänen ist es also möglich, ein Monitoring vollständig nachzurüsten.

Einen ähnlichen Datenlogger für Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen hat das österreichische Start-up Linemetrics entwickelt. Das Arbeitsprinzip ist dasselbe: Die Sensoren werden an entscheidenden Stellen angebracht und mit der Box verbunden. Doch im Unterschied zu Factbird kann die Box digitale und analoge Signale verarbeiten, sie bietet die entsprechenden Anschlüsse an.

Daran können also nicht nur aktuelle Digitalsensoren, sondern auch herkömmliche Messgeräte angeschlossen werden, beispielsweise die Messfühler einer bereits genutzten Produktionssteuerung. Zudem ist das System nicht auf ein vorhandenes Netz angewiesen, da es mit einer aktivierten GSM-SIM-Karte ausgeliefert wird, die alle Daten automatisch an die Linemetrics-Cloud überträgt.


DATENVERARBEITUNG VOR ORT ODER DIREKT AN DER MASCHINE

Die drei Lösungen der Start-ups haben unterschiedliche Einsatzbereiche, aber eine Gemeinsamkeit: Die Daten können nur über den Cloud-Service des Herstellers analysiert werden. In vielen Unternehmen dürfte dies aber auf Skepsis stoßen, zumal häufig bereits lokale Anwendungen wie ERP eingesetzt werden. Wer die Daten also in seinen eigenen IT-Systemen nutzen möchte, muss eine andere Lösung wählen.

Auch für diese Situation gibt es Abhilfe. So bietet beispielsweise Weidmüller einen kommunikationsfähigen Signalwandler an, der diejenigen aus älteren Leitsystemen ersetzen kann. Er digitalisiert die analogen Signale und überträgt sie via Ethernet-Schnittstelle in ein internes Unternehmensnetzwerk. Diese Lösung hat einen wichtigen Vorteil: Sie tastet den Signalfluss nicht an, so dass die vorhandenen Systeme wie gewohnt weiterarbeiten. 

Bereits anhand der vorhandenen Daten kann eine weitgehende Prozessoptimierung geschehen.

Die ausgeleiteten Daten können mit jeder gewünschten Software ausgewertet werden, wegen der schnellen Übertragung sogar in Echtzeit. „Der größte Hebel für Produktivitätsfortschritte ist die Verfügbarkeit der Anlagen“, betont Thomas Peter, Leiter Control & Instrumentation bei Weidmüller. Doch um diese Kennzahl zu erhöhen, müssen die Daten aus den Steuersystemen entsprechend ausgewertet werden. Durch das Abgreifen der Daten am Signalkonverter wird einerseits der Betrieb nicht gestört und andererseits die Bearbeitung mit Analysesoftware ermöglicht. „Bereits anhand der vorhandenen Daten kann eine weitgehende Prozessoptimierung geschehen. Eine andere Anwendung ist die vorausschauende Wartung durch die Auswertung von ermittelten Fehlermustern“, sagt Peter.

Der große Vorteil gegenüber einem reinen Datenlogger: Die IT-Systeme erhalten bereits aufbereitete und an die Gegebenheiten in der Anlage angepasste Daten, so dass die Auswertung viel schneller geschehen kann.

Diese Möglichkeit bieten auch viele andere Systeme, die zum Teil sogar eigene Rechenkapazitäten haben. Der Vernetzungsspezialist Harting bietet mit MICA (Modular Industry Computing Architecture) ein Erweiterungssystem in einer kleinen Box, das sogar mit unterschiedlichen Steckverbindungen ausgerüstet werden kann. Vorhandene und zusätzlich installierte Sensoren können ganz einfach angeschlossen werden. Das System kann aber bei Bedarf auch mit der Steuereinheit (SPS) verbunden werden. Durch die offene Architektur eignet sich MICA als Gateway, das die analogen Signale verarbeitet und daraus digitale Datenströme nach Maßgabe aktueller Standards erzeugt. So wirkt auch eine Altanlage „von außen“ wie eine Industrie-4.0-Maschine mit OPC-UA-Unterstützung. 

Dabei nutzt der Kleinstcomputer Linux, so dass Entwickler mit den gängigen Programmiersprachen Java, Python und C/C++ arbeiten können, um Anwendungen für ihr Unternehmen zu schreiben. Der große Vorteil gegenüber einem reinen Datenlogger: Die IT-Systeme erhalten bereits aufbereitete und an die Gegebenheiten in der Anlage angepasste Daten, so dass die Auswertung viel schneller geschehen kann. Diese enorme Flexibilität wird allerdings durch einen kleinen Nachteil erkauft: Derartige Systeme sind keine schlüsselfertigen Lösungen, die wie Factbird oder Linemetrics nur mit geringen Anpassungen sofort einsatzbereit sind.


INDUSTRIE ALS SOFTWAREENTWICKLER

Doch nicht nur bei programmierbaren Controllern müssen Anwender im Vorfeld ein Gesamtkonzept erstellen, das zu einer integrierten Lösung aus Sensorik und Software führt. So etwas zu konzipieren, zu entwickeln und anschließend vor Ort zu testen ist keine triviale Aufgabe. Die Unternehmen benötigen hier zusätzliche Expertise in Softwareentwicklung.

Retrofitting ist in dieser Hinsicht nur die Variante einer allgemeinen Tendenz: Anbieter und Nutzer von Werkzeugmaschinen, Sensoren oder Steuerelektronik müssen immer stärker in die Softwareentwicklung einsteigen. So haben Hardwarehersteller wie Bosch, Harting oder Weidmüller in den vergangenen Jahren umfangreiche Entwicklungsabteilungen aufgebaut, die sich mit Themen wie Industrial Analytics (Datenanalyse in der Fertigung), Container-Technologien (Schutz von Anwendungen) oder Cloud-Computing beschäftigen. Und auch die Nutzer in der Industrie müssen sich jetzt mit Themen beschäftigen, die bis vor wenigen Jahren noch der IT-Branche vorbehalten waren, etwa Netzwerke, IT-Sicherheit oder Identitätsverwaltung. Der Einsatz von smarten, vernetzten Maschinen hat Konsequenzen: Betriebe müssen nun IT-Know-how aufbauen und unter Umständen sogar eine entsprechende Abteilung mit einem CIO (Chief Information Officer) an der Spitze ins Leben rufen.

Im Grunde muss dieser Schritt im Rahmen einer umfassenden Digitalstrategie unternommen werden – vor dem Entschluss, mit einem Retrofit „Industrie-4.0-kompatibel“ zu werden. Denn angesichts der immer zahlreicher werdenden Retrofit-Lösungen führt bereits die Entscheidung zwischen Cloud-Service oder lokaler Software auf einen bestimmten Pfad, der anschließend nur noch unter hohen Kosten wieder verlassen werden kann. Mit Industrie- 4.0-Retrofitting ist inzwischen viel möglich, es kommt aber darauf an, welche Ziele sich das Unternehmen steckt.